Сульфатостойкость крупнопористого фильтрационного бетона на шлакопортландцементе
В последние годы в нашей стране значительно расширились работы по мелиорации сельскохозяйственных земель. Важное место занимает устройство закрытых горизонтальных дренажей на орошаемых землях. Наиболее эффективными для этой цели являются трубы с фильтрующими стенками из крупнопористого бетона — трубофильтры.
Высокая минерализация грунтовых вод на значительной части орошаемых территорий в южных районах УССР делает актуальным вопрос о коррозионной стойкости трубофильтров. В результате изучения характера минерализации грунтовых вод первого от поверхности водоносного горизонта установлено, что в Днепропетровской, Запорожской, Одесской и Херсонской областях грунтовые воды в основном сульфатно-натриевые и сульфатно-кальциевые
Поэтому в Днепропетровском филиале Укргипроводхоза и НИИЖБ изучили коррозионную стойкость крупнопористого фильтрационного бетона на гранитном щебне в условиях сульфатной агрессии. Одновременно исследовали влияние некоторых технологических факторов на физико-механические свойства крупнопористого бетона методом планирования эксперимента (табл. 1).
Для этого изготовили 330 образцов дисков пятнадцати различных составов на шлакопортландцементе. Реализация плана эксперимента и обработка результатов на ЭВМ позволили установить, что оптимальными по величине коэффициента фильтрации, прочности, объемной массе и расходу цемента являются составы с 5/Д=0,4.. .0,45 (рис. 1). Оптимальными следует считать составы с содержанием цемента в интервале от 1 : 7 до 1:6 при наличии песка в смеси заполнителя от 10 до 15%. При этом расход цемента изменяется от 250 до 300 кг/м3, а объемная масса от 1850 до 2000 кг/м3. В указанной области крупнопористый бетон, обладая достаточно большой прочностью 0,8.. .1,2 МПа, характеризуется коэффициентом фильтрации от 150 до 300 м/сут, что является вполне достаточным для обеспечения высокой водозахватной способности дрен из такого материала. Состав бетона для исследования коррозионной стойкости определили по номограмме. При отношении Д:3=Н1:6 содержание песка в смеси заполнителя составило 10% (точка Л на рис. 1).
Образцы изготовляли на шлакопортландцементе марки М 300 Днепродзержинского завода, содержащем 50% шлака и до 8% С3А. В качестве заполнителя использовали гранитный щебень фракции 3—10 мм Новопавловского карьера Днепропетровской области и днепровский кварцевый песок с МКр=» = 1,43. Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне и песке не превышало 1%.
При разработке методики стремились учесть специфику работы крупнопористого фильтрационного бетона в дренажных трубах. С этой целью исследовали образцы из крупнопористого бетона диаметром 138 мм, высотой 50 мм (толщина стенок трубофильтра). Критерием стойкости крупнопористого бетона приняли изменение его прочности при растяжений, определяемое путем раскалывания дисков по методике ГОСТ 12852—67. После формования образцы хранили при температуре 18—20°С и относительной влажности воздуха 86— 92% в течение 28 сут, затем помещали в специальные установки, конструкция которых позволила максимально приблизить условия эксперимента к натурным (рис. 2). Емкости трех установок заполнили раствором Na2S04 с содержанием сульфат-ионов 5000,10 000 и 30 000 мг/л. Контрольные образцы поместили в ванну с водопроводной водой.
Растворы постоянно автоматически перекачивали из нижних емкостей в верхние, что обеспечило непрерывную ’ фильтрацию их сквозь образцы. При 200 этом во всех установках агрессивные растворы непрерывно циркулировали сквозь образцы с постоянным расходом 2000 (200 мл/мин), что соответствует средней 250 интенсивности фильтрации воды сквозь стенки дренажной трубы в натурных условиях [1].
В течение первых 34 сут по изменению содержания сульфат-ионов в раст- 1900 ворах определяли поглощение иона S04““ цементным камнем. После первых 2—3 сут отмечено снижение интенсивности поглощения иона S04~ и стабилизация процесса.
Испытания показали, что в начальный период воздействия сульфатов происходит упрочнение бетона (I стадия) процесса коррозии), затем прочность снижается (II стадия). Полученные результаты согласуются с существующими представлениями о механизме сульфатной коррозии [2]. Установлено также, что образцы из крупнопористого бетона под действием растворов сульфата натрия различной концентрации достигают одинаковой максимальной прочности. Чем выше содержание сульфатов, тем быстрее наступает этот момент. В основном изменение прочности крупнопористого бетона под влиянием сульфатных растворов в исследованном интервале времени описывается параболами (рис. 3).
Для прогноза сроков службы трубфильтров на шлакопортландцементе бетона исследованного состава представляют интерес данные о стойкости трубофильтров, аналогичных по составу изготовленным на сульфатостойком портландцементе, полученном на основании многолетних наблюдений за состоянием дренажей (18,7 км) на опытном участке. Содержание сульфат-ионов в дренируемой воде изменялось в пределах 4500—5000 мг/л.
В табл. 2 приведены результаты испытаний трубофильтров, извлекавшихся из грунта после различных сроков эксплуатации.
Исследования образцов на шлакопортландцементе в лабораторных условиях продолжались 15 мес, что соответствует примерно двухгодичному сроку эксплуатации натурных условиях (дренаж работает 6—9 мес в году). Прогноз изменения прочности бетона в растворе сульфатов (см. рис. 3) позволяет считать, что максимальное упрочнение для образцов в растворе, содержащем 5000 мг/л сульфат-ионов, будет достигнуто к шести годам эксплуатации; следует учитывать также, что под влиянием орошения и дренажа минерализация грунтовых дренажных вод снижается.
Сопоставление этих данных с результатами наблюдений на опытном участке (см. табл. 2), где упрочнение продолжалось до девяти лет, позволяет обоснованно предположить, что срок службы трубофильтров (т. е. подъема и дальнейшего снижения прочности до нормативной) будет не менее 20 лет. Как было показано в работе [4] и после такого срока дренажная труба сохраняет работоспособность, несмотря на возможное повреждение нижней части ее сечения.
Выводы
Крупнопористый фильтрационный -бетон на сульфатостойком шлакопортландцементе и гранитном щебне оптимального состава (содержание песка 10—15% общей массы заполнителя в ВЩ=10,45) обладает достаточной сульфатостойкостыо в грунтовых водах, содержащих до 5000 мг/л сульфат-ионов и имеющих временную жесткость не менее 4°Н.